陈皮酱
作者：龚璐璐 史晗溪 张成伟 郭洋洋 刘新蕾
来源：《现代职业教育》2021年第06期
[摘 要] 虚拟现实技术已逐渐被引入课堂与实践教学中。在原有教学资源的基础上，以“互联网+”为驱动，利用先进信息化技术，基于虚拟现实技术，建立虚拟仿真实验室，搭建医学图像三维重建教学辅助系统，以改革教学模式和创新人才培养模式为宗旨，在生命科学相关课程计算机辅助医学中进行了创新实践。结果表明，新教学模式有效解决了该类课程面临的教学内容陈旧和与社会对创新人才需求不匹配的问题，显著激发了学生了解和探索生命规律的兴趣，为交叉学科课程建设提供了新思路。 [关 键 词] “互联网+”;虚拟现实技术;医学图像;计算机辅助医学;教学辅助系统
[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2021）06-0062-02
随着信息技术的发展，虚拟现实技术越来越多地应用到高校教学中，推进了高校教育向“互联网+”模型转变，从而进一步提高了学生的社会责任感，培养了学生的创新精神和创业能力。但该技术应用于课堂教学尚未形成完整的理论体系和具有良好可操作性的模式，实施过程中会有一定的问题出现，如学生由于知识结构和经验缺失导致的强烈挫败感，学生知识体系不系统，教师主导地位严重缺失等。 一、虚拟现实技术在国内外教育领域的应用
虚拟现实（Virtual Reality， VR）又称为人工现实，虚拟现实技术也叫作临境技术，由美国VPL Reacher公司的Jason Lanier于20世纪50年代提出，主要是运用计算机及其高端技术产生一种虚拟环境，并借助输入设备进入虚拟环境，以再现事物的真实细节和展示事物的生动性。虚拟现实技术是综合利用图形图像学、智能接口技术、人工智能技术等多种技术制造出一种具有多种感官刺激的、实时的模拟环境，使用户可以身临其境地感知和操作虚拟世界中的对象[1，2]。
虚拟现实技术已从美国逐渐拓展到英国、日本等国家，日本还开发出了一套神经网络姿势识别系统[2]。美国弗吉尼亚大学则在1989年提出了虚拟实验室这一概念[3]。我国于20世纪80年代开始研究虚拟现实技术[4]。部分高校也投入大量的人力、物力建设了虚拟仿真实验中心，如厦门大学于2004年建立了虚拟现实实验室，探索了虚拟仿真实验教学技术[3]。重庆师范大学采用Quick Time VR技术建立了虚拟仿真实验室，从而实现了对一畸形胎儿标本的全方位观察[5]。空军医科大学将数字化虚拟仿真教学系统引入胚胎学教学中，解决了胚胎学平面教学讲解难度大的问题，提高了学生的实践能力[6]。中南大学已应用Unity 3D等软件建立了虚拟仿真实验室，设计了光栅光谱虚拟仿真实验系统，节约了成本，提高了实验教学的效率[7]。
综上，虚拟现实技术和教育的融合已经成为高校教学的一个重要趋势。利用信息化技术进行教学改革以培养创新创业新型人才仍处于探索阶段。本项目拟在原有的教学经验和人才培养模式的基础上，进行教学模式的改革，将虚拟现实技术应用于构建医学图像三维重建教学辅助系统。本文总结了基于虚拟现实技术构建计算机辅助医学图像三维重建教学辅助系统的实践效果。
二、应用虚拟现实技术构建医学图像三维重建教学辅助系统的教学模式的优势
（一）将虚拟现实技术应用于医学图像虚拟仿真教学辅助系统的搭建
以往医学图像3D建模的教学是以学生各自分别建立三维模型为主，其结果是模型都是孤立存在的，学生之间没有交互，学生之间的模型也没有通用性。本项目拟利用虚拟现实技术的沉浸性、交互性、虚幻性和逼真性等优点，将虚拟现实技术应用于医学图像3D建模的教学中，建立教学辅助系统，能极大地提高学生的学习热情和兴趣。
（二）基于建构主义理论，学生分组构建3D场景的人体模型，充分发挥学生的创造性
传统教学模式中，教师对学生3D建模过程给予过多指导，很容易让学生产生依赖感，
因此建模的结果往往不尽如人意。而在建构主义模式下，学生是任务完成的主体，不仅3D模型的建立需要依靠自己的努力，而且知识体系的构建也是学生自主学习完成的，因此可以显著地提高学生学习的主动性，充分发挥学生的创造性。
（三）用VR实现对人体3D模型的拆卸和装配，培养学生的创新精神和创业能力
视野图 目前部分虚拟仿真教学系统是以学生进入虚拟环境多角度观察为主，并不能过多地操作。本教学模式让学生上传自己建立的3D模型到虚拟仿真教学辅助系统中，并且自主装配系统中原有的模型和学生自己建立的模型，让学生体验了模型的真实感及建模过程的参与感，培养了学生的创新思维和创业能力。
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三、应用虚拟现实技术构建医学图像三维重建教学辅助系统的教学模式
（一）搭建医学图像虚拟仿真教学辅助系统
本教学模式选用国内外主流的Unity 3D和3D Max作为开发软件搭建医学图像虚拟仿真教学辅助系统，该类技术具有自身提供脚本语言支持以及能快速简洁地生成对话式的3D作品的特点。
虚拟仿真教学辅助系统包括3D人体模型学习模块和虚拟仿真模型模块两部分。其中，3D人体模型学习模块包括让学生自主独立学习的视频、文本、教学文件等;虚拟仿真模型模塊可以让学生上传3D模型，选用系统中原有的模型，进行拆卸和装配等操作。
（二）实施学生分组构建3D场景的人体三维模型的教学模式
本教学模式将一个整体项目分解成几个小任务（模块），让学生分小组完成某一具体任务，完成图像处理或三维模型构建。
以大脑灰质和白质三维建模为例，按三个阶段来进行：①构思和分析阶段：学生需对图像进行分析，即采用何种情景最有利于建立三维模型，图像边界是否清晰，是否需要手动分割等;②任务实施阶段：学生进行图像的分割和三维重建，创建3D场景，导入模型，对模型进行烘培、纹理贴图等设置，使模型达到真实逼真的效果;③反馈、评价和总结阶段：任务完成后，小组内部要对项目进行总结和反馈，各小组之间还要把三维模型展示出来，由其他小组对三维重建结果及模型通用性和可操作性等进行评价。
（三）以VR技术实现学生对人体模型的全方位观察和操作金属包覆垫片
教学过程中让学生在虚拟环境下处理医学图像，建立人体组织器官三维模型，以及将模型各零部件拆卸或装配，学生可以立体直观地观察人体器官的形态结构和位置毗邻关系，还可以按照自己的想法对人体组织器官三维模型进行自主控制、旋转、拆卸和组装。学生可以通过鼠标控制模型的移动以及进行装配，实现如同现实世界的模型装配。学习不仅局限于学校课堂，学生在校外也可以通过計算机网络对模型进行查看和操作，实现移动学习。教师让学生对先进的“互联网+”环境下的信息技术充满好奇，激发学生的学习兴趣和学习积极性，这也是当今社会多元智能的发展趋势。
（四）搭建个性化教学反馈子系统 ——运用“互联网+”、建立快速反馈机制
教学中以学生实际需求为中心，结合学生常用的网络社交方式，搭建教学反馈子系统，进行师生互动。充分利用使用方便的特点，学生可提出问题、想法和建议，教师对学生提出的问题及时进行解答回复，其他同学也可以分享问题和答复结果。本教学模式以学生为教学过程的中心，授课教师成为组织者和引路人。
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四、应用虚拟现实技术在计算机辅助医学课程中实施的效果及评价
本教学模式实施后，学生可以独立进行医学图像处理，如图1，经过均衡化处理得到更加清晰的图像。
流媒体地址 该课程的成绩评定采用“总评成绩=平时成绩×40%+期末成绩×60%”的计算公式。期末考核时，学生以PPT形式对实践结果进行汇报，其本人自评及其他同学根据该同学PPT汇报进行评价占期末成绩的50%，任课教师对每个同学实践结果完成情况进行评定占期末成绩的50%。此外，部分选修本课程的同学也积极申请并完成了同济大学大学生创新实践训练计划（Students Innovation Training Program， SITP）。
在计算机辅助医学课程中实施本教学模式后，调查反馈表显示80%学生喜欢该教学模式，并对课程进一步改进提出了建设性的建议。
五、总结与讨论
基于VR技术的虚拟仿真平台在教学中灵活性大，有助于培养学生的主动性和创造性。用VR模拟代替3D打印实物的模型，还能很好地解决3D打印设备有限、打印时间长的问题，节约教学成本。该技术引入高校教学中还处在起步阶段，目前问题主要集中在高校
教学体系中VR技术的功能没有得到全面的应用。该教学模式实施的优势在于，教学过程中将虚拟现实引入课堂，引导学生以小组讨论和分工合作实践的形式完成学习，提高了学生的想象力，培养了学生的创新思维，使学生进行了创意构思，完成了实体模型的创作，实现了理论的可视化。本研究的教学模式帮助学生更好地形成和完善自己的知识体系，培养了学生独特的创新思维，促进了创新型人才的成长，建议在同类课程中进行推广。
参考文献：
[1]郑彦平，贺钧.虚拟现实技术的应用现状及发展[J].信息技术[J].2005（12）：94-95，98.
[2]刘华清.VR技术的应用现状与发展趋势研究[J].科技传播，2019，11（4）：114-115.
[3]谢波，赵锟.初探虚拟仿真实验在物理化学实验教学中的应用[J].广东化工，2019，46（1）：200，211.
[4]高璐，张晓红，金海威，等.虚拟现实技术在口腔颌面部解剖及三维数字模型构建
中的应用[J].中国组织工程研究，2015，19（46）：7492-7497.
[5]孙苗，兰晓红.虚拟现实技术在高校实验课堂教学中的应用研究：以重庆师范大学为例[J].物联网技术，2017，7（3）：117-120.
[6]冯潇，李臻.虚拟仿真教学系统在胚胎学教学中的应用探讨[J].中国组织化学与细胞化学杂志，2018（6）：586-591.
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